CN112251906A - 一种适用于陶瓷基复合材料构件的气膜冷却孔编织结构及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于陶瓷基复合材料构件的气膜冷却孔编织结构及其制作方法，该方法包括以下步骤：设计气膜孔的形状、大小以及数量；编织纤维时在其中预留气膜孔，得到带有预留气膜孔的纤维编织预制体；其中，编织方式包括以下两种：(1)在编织时直接绕开预留气膜孔进行编织，通过改变编织纤维的空间位置，即纤维在气膜孔位置处向气膜孔四周挤压以留出气膜孔所需的位置；(2)在气膜孔周围以弯连钩回的编织方式，编织出气膜孔；将纤维编织预制体与陶瓷基体复合，烧制得到带有预留气膜孔的陶瓷基复合材料构件。本发明在加工气膜孔时不会损伤CMC的增韧纤维，能够更好的保证CMC构件的结构强度。同时便于加工，且具有较好的冷却效果。

Description

一种适用于陶瓷基复合材料构件的气膜冷却孔编织结构及其 制作方法
技术领域
本发明属于工程热物理技术领域，特别涉及一种适用于陶瓷基复合材料(CMC)构件的气膜冷却孔编织结构。
背景技术
陶瓷材料就以其耐高温、重量轻等优点，受到高温部件研发厂商的青睐，他们在那时就开始尝试在航空燃气涡轮发动机、冲压发动机、火箭发动机等先进推进***中使用陶瓷材料，但是一般的陶瓷材料的机械性能难以满足高温部件使用时的高载荷要求。20世纪70年代初提出纤维增韧陶瓷基复合材料(Ceramic Matrix Composite，CMC)的概念。纤维增韧大大改善了陶瓷材料的机械性能。使得其在高热负荷和高机械负荷下应用成为可能。
自CMC材料问世以来，世界主要高温部件研制国家的多项研发计划对CMC材料进行研发并对CMC高温部件的工程应用研究提供支持。如美国政府主导的“综合高性能发动机技术(Intergrated High Performance Turbine Engine Technology)”IHPTET计划、“超高效发动机技术”UEET(Ultra Efficient Energy Technology)计划等，日本政府主导的ESPR(Research and Development of Environmentally Compatible Propulsion System forNext Generation Supersonic Transport)计划，俄罗斯政府主导的“国家技术基础2007～2011”计划。在这些计划的支持下，这些国家的CMC材料发展迅速，整体成形的陶瓷基复合材料(CMC)正被越来越多的高温部件制造厂商使用在自家的产品中。如GE和Allison联合开发并验证了空心CMC材料高压涡轮导向器叶片，该叶片质量比镍基高温合金导向器叶片减轻50％。2009年GE宣布，F136发动机(拟装备于F35飞机)的第三级低压涡轮导向叶片采用了GE公司的陶瓷基复合材料叶片。在中国商飞C919上装配的由CFM公司设计制造的Leap-X发动机，其高压涡轮一级外环、低压涡轮导向叶片以及尾锥等核心热端部件也均采用了CMC(Ceramic Matrix Composite)材料，使得该发动机更有效地降低噪声并提高推进效率。2015年1月，GE公司网站披露，他们研制的世界上首个CMC材料低压涡轮转子叶片，成功通过了F414发动机验证机的500个严酷循环。CMC转子叶片重量仅为被替换金属叶片重量的1/3，而且第二级CMC转子叶片不必应用空气冷却。GE公司认为上述CMC材料涡轮导向叶片和转子叶片的成功研制，为GE与美国空军研究实验室(AFRL)合作开展下一代自适应发动机技术验证机(AETD)，实现相比当今最先进的第五代发动机燃油消耗量降低25％、最大推力提高10％的目标提供了关键技术支撑。
尽管CMC材料的安全使用温度可达1650℃左右(1923K)，但未来推重比为12-15的航空涡轮发动机的燃烧室出口燃气温度高达2100K–2300K。而在火箭发动机以及使用火箭基组合循环推进***的高超音速飞行器的发动机中燃气温度更是高达2400k-3600k[16]。显然未来先进火箭发动机以及航空发动机高温部件的工作温度依然高于CMC温度极限，高温环境下CMC中纤维增强相因高温发生氧化反应而降低机械性能，同时高温环境下高温度梯度导致的热应力也对CMC高温部件的可靠性构成威胁。因此为了保证CMC高温部件的安全工作，需要对其采取冷却措施。
冷却技术的使用将在CMC构件上钻取具有不同功能的冷却孔，在钻孔过程中不可避免地会损伤编织纤维，降低CMC的力学性能。根据弹性力学知识，孔边应力集中问题是由钻孔本身引起的，在高温环境下孔边应力问题更为严重。气膜孔周围强烈的温度梯度会导致气膜孔附近区域产生热应力，从而导致材料孔边缘出现裂纹等一系列问题，使用寿命大大降低(PENG Zhiyong,L Wwenlin.A comparative test approach for thermal fatiguelife of high heat blade under thermalshock[J].Journal of Aerospace Power,1997,12(1):33-36.(in Chinese))。气膜孔冷却过程中气膜孔周围热应力的大小和分布。研究发现，表面膜孔附近的热应力与板的整体热应力有很大的不同，特别是空气膜孔周围(2D～2D)存在明显的热应力集中(Z.Wang,C.Zhang,J.-J.Liu.Thermo-elastic couplinganalysis of round-hole flat-plate film-cooling[J].Journal of Aerospace Power,2015.)。
为避免气膜孔对编织纤维的损伤，提出了一种适用于陶瓷基复合材料(CMC)构件的新型气膜冷却结构，即在编织纤维时预留所需的空气膜孔，然后将编织纤维与基体材料复合得到成品CMC构件。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于陶瓷基复合材料构件的气膜冷却孔编织结构及其制作方法，以解决现有技术中存在的采用的CMC构件制造气膜孔时会损伤CMC的增韧纤维，降低CMC构件的机械性能，对CMC构件安全工作造成影响的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种适用于陶瓷基复合材料构件的气膜冷却孔编织结构的制作方法，包括以下步骤：
步骤一，设计陶瓷基复合材料构件的气膜孔的形状、大小以及数量；
步骤二，编织纤维时在其中预留气膜孔，得到带有预留气膜孔的纤维编织预制体；其中，编织方式包括以下两种：(1)在编织时直接绕开预留气膜孔进行编织，通过改变编织纤维的空间位置，即纤维在气膜孔位置处向气膜孔四周挤压以留出气膜孔所需的位置；(2)在气膜孔周围以弯连钩回的编织方式，编织出气膜孔；
步骤三，将步骤二得到的纤维编织预制体与陶瓷基体复合，复合时用填充材料先填充预留的气膜孔，复合完成后将预制体与陶瓷基体烧制为陶瓷基复合材料构件，去除预留气膜孔中的填充材料，得到带有预留气膜孔的陶瓷基复合材料构件。
所述步骤二中，采用弯连钩回的编织方式时，若气膜孔为直孔，则每层编织纬纱在气膜孔周围弯连钩回，同时牵引经纱向气膜孔两边移动，即编织预留出所需要的气膜孔。
所述步骤二中，采用弯连钩回的编织方式时，若气膜孔为斜孔或者异形孔，需要不同层的编织纬纱相互配合，牵引经纱向周围移动不同的距离，最后通过每层的组合编织，编织出所需的气膜孔。
所述步骤三中，填充材料为在烧制过程中能够分解的材料，如石墨，或者为能够被不损害陶瓷基复合材料构件的溶解液分解的材料。
一种上述方法制作得到的气膜冷却孔编织结构。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明能够在制造冷却气膜孔时不损伤气膜孔周围的增韧纤维，同时基于本发明提出的新型气膜孔冷却结构，可以根据实际应用需要设计制造出不同孔形和倾斜角度的冷却气膜孔。
本发明提出的新型气膜孔冷却结构在工程上便于简单，同时具有较好的冷却效果。
附图说明
图1为2.5维编织SiC纤维增韧CMC气膜冷却平板；
图2为预留气膜孔纤维编织示意图；其中(a)是绕孔编织示意图，(b)是单纤维浅角弯连遗留气膜孔纤维编织示意图，(c)多纤维浅角弯连预留气膜孔纤维编织示意图；
图3为预留倾斜气膜孔编织结构示意图；
图4为预留气膜孔CMC构件加工过程示意图；其中(a)是预制体示意图，(b)是预留气膜孔CMC构件示意图；
图5为预留气膜孔周围纤维变形示意图；
图6为2.5维编织预留孔平板气膜冷却模型示意图，其中：(a)是2.5维编织预留孔平板气膜冷却模型示意图，(b)是2.5维编织纤维结构示意图，(c)是基体结构示意图；
图7为编织纤维曲线坐标及基体、流体通道全局坐标示意图；
图8为数值仿真边界条件示意图；
图9为2.5维编织打孔平板气膜冷却模型示意图，
图10为数值模拟结果云图，其中：(a)为气膜面温度云图，(b)为气膜孔下游1.2D展向特征线1气膜综合冷却效率以及沿气膜流向气膜中心线(特征线2)上综合冷却效率曲线图；
图11为预留气膜孔CMC构件与打孔气膜孔CMC构件温度云图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。
以2.5维编织结构复合材料为例，如图1所示，构件为浅角弯联的2.5维编织结构的CMC气膜冷却孔板，根据生产厂商提供，内部编织纤维为SiC纤维束，基体材料为陶瓷基复合材料。
在实际工程应用当中，会根据实际冷却需求设计出不同的气膜孔，常用气膜孔是圆形截面的圆柱气膜孔；针对这种类型的气膜孔，本发明提供两种预留气膜孔编织方式，其一，如图2中(a)中所示，不改变整体的编织方式，只要在编织时预先在气膜孔位置放置填充材料，在编织时编织纤维直接绕开预留气膜孔进行编织；其二，如图2中(b)中所示，在预留气膜孔处，改变编织纤维的编织方式，在编织预留气膜孔时，纬纱在预留气膜孔处弯连沟回，同时牵引经纱变形预留出所需要的气膜孔。
为获得更好的气膜冷却效果，提高气膜冷却效率，除了以上提到的圆形气膜孔外，工程设计人员还会设计出不同孔形的冷却气膜孔；如图2中(c)所示，以棱形气膜孔为例给出通过多条纬纱弯连沟回并牵引经纱变形的组合编织方式来编织不同气膜孔形的预留气膜孔。
除了上述通过改变气膜孔形状来提高气膜冷却效率之外，还可以将直孔改为斜孔的方式来提高气膜冷却效率。本发明提出的编织方法还可以通过多层纬纱弯连沟回并牵引经纱变形的组合编织方式来编织带有倾斜角度的预留气膜孔。在编织时控制不同编织层纬纱弯连沟回的距离，牵引经纱产生不同的变形，通过多层的组合编织出带有倾斜角度的预留气膜孔，如图3所示。
在实际制造带预留气膜孔的CMC构件时，先制造出所需气膜孔的填充体，将填充体放置于实际设计气膜孔的位置，按照上述编织方法将纤维编织成预制体；然后将预制体与基体材料复合烧制成CMC构件；在制造过程中气膜孔填充体可以在烧制过程中直接分解，如使用石墨一类的材料，也可以在CMC构件烧制完成后，再使用某种溶解液将气膜孔填充体分解而不损害CMC构件，制造过程示意图如图4所示。
本发明以2.5维编织预留孔和2.5维编织打孔平板气膜冷却数值模拟为例，阐述本发明的优势。
实施例1
基于本发明提出的气膜冷却结构，本发明建立的全尺寸编织预留孔平板模型。建模时，设编织纤维受到压力作用而发生变形，但是编织纤维在挤压变形的过程中其体积基本保持不变。在建模时保持编织纤维截面积不化，然后将截面沿相同长度的引导线扫掠得到编织纤维的模型，如图5所示。
基于上述建模方法得到的物理模型可以对预留气膜孔CMC热端部件气膜冷却特性及力学特性进行高精度数值分析。计算中2.5维编织预留孔平板的几何尺寸约为52.8×7.2×3.3mm，次流和主流通道的几何尺寸为52.8×7.2×20mm。气膜孔直径D为2.4mm，孔深3.3mm，气膜孔位置如图6中(a)所示。纤维束的宽度为1.8mm，厚度为0.2mm，截面形状如图6中(a)中所示。Z方向上两根相邻的Y向轴纱距离为0.6mm，X方向上两根相邻的Y向轴纱距离为0.6mm，Y方向上两个相邻的编织纱距离为0.2mm，编织纱的偏转角度为70°，如图6中(a)所示。
计算模型中除基体(图6中(c))的导热系数为各向同性外，其余轴纱及编织纱(图6中(b))的导热系数均为各向异性，纤维束轴向的导热系数较大，纤维束径向的导热系数较小。为将编织纤维的空间编织结构特性于各向异性导热系数特性结合，在进行数值模拟时，本发明在计算时采用曲线坐标用以设置编织纤维的各向异性导热系数，即编织纤维在计算时采用沿编织走向的当地坐标，基体以及气流域在计算时采用全局坐标系，如图7所示。
本发明在数值仿真时采用comsol软件，湍流模型采用comsol软件中提供的标准k-ω模型。气体设置为理想气体，基体材料导热系数为0.2W/(m·K)，恒压热容为1190J/(kg·K)，密度为1102kg/m3。编织纤维轴向的导热系数Kx＝9.66W/(m·K)，横向导热系数Ky＝Kz＝1.48W/(m·K)，恒压热容为1114J/(kg·K)，密度为1433kg/m3。主流入口温度为360K，速度为20m/s；次流入口温度为300K，速度为0.05451m/s。其余边界条件如图8所示。
对比例1
同时，为了对比编织预留孔和打孔平板气膜冷却特性的差异，本发明采用相同模拟方法对2.5维纤维编织打孔平板进行气膜冷却模拟，计算模型如图9所示
基于上述数值模拟方法，本发明还对纤维编织打孔和编织预留孔平板进行气膜冷却特性的数值模拟。两者对比，结果表明，预留气膜孔平板的低温区域面积要大于打孔气膜孔平板，如图10(a)所示。由于预留孔平板为损伤编织纤维，使得编织纤维能够将更多的热量带到气膜孔周围，进而在冷气流经气膜孔时得以带走更多的热量，使得沿特征线1，展向—1～1D位置预留孔平板综合冷却效率均高于打孔平板，两者最高相差10％；沿特征线2，气膜孔下游0～10D位置预留孔平板综合冷却效率均高于打孔平板，如图10(b)所示。
同时由于2.5D纤维编织复合材料本身编织纬纱纤维在空间上的结构分布特征，使得在气膜孔下游靠近气膜孔局部位置处温度并非关于气膜孔中心线呈轴对称分布，而是随纤维分布发生改变。在气膜覆盖下纤维密集处的综合冷却效率要高于非纤维密集处，进而使得预留气膜孔周围的温度更低，同时平板沿厚度方向上的温度更加均匀，如图11所示。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种适用于陶瓷基复合材料构件的气膜冷却孔编织结构的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一，设计陶瓷基复合材料构件的气膜孔的形状、大小以及数量；
步骤二，编织纤维时在其中预留气膜孔，得到带有预留气膜孔的纤维编织预制体；其中，编织方式包括以下两种：(1)在编织时直接绕开预留气膜孔进行编织，通过改变编织纤维的空间位置，即纤维在气膜孔位置处向气膜孔四周挤压以留出气膜孔所需的位置；(2)在气膜孔周围以弯连钩回的编织方式，编织出气膜孔；
步骤三，将步骤二得到的纤维编织预制体与陶瓷基体复合，复合时用填充材料先填充预留的气膜孔，复合完成后将预制体与陶瓷基体烧制为陶瓷基复合材料构件，去除预留气膜孔中的填充材料，得到带有预留气膜孔的陶瓷基复合材料构件。
2.根据权利要求1所述的适用于陶瓷基复合材料构件的气膜冷却孔编织结构的制作方法，其特征在于：所述步骤二中，采用弯连钩回的编织方式时，若气膜孔为直孔，则每层编织纬纱在气膜孔周围弯连钩回，同时牵引经纱向气膜孔两边移动，即编织预留出所需要的气膜孔。
3.根据权利要求1所述的适用于陶瓷基复合材料构件的气膜冷却孔编织结构的制作方法，其特征在于：所述步骤二中，采用弯连钩回的编织方式时，若气膜孔为斜孔或者异形孔，需要不同层的编织纬纱相互配合，牵引经纱向周围移动不同的距离，最后通过每层的组合编织，编织出所需的气膜孔。
4.根据权利要求3所述的适用于陶瓷基复合材料构件的气膜冷却孔编织结构的制作方法，其特征在于：通过多条纬纱弯连沟回并牵引经纱变形的组合编织方式来编织不同形状的预留气膜孔。
5.根据权利要求3所述的适用于陶瓷基复合材料构件的气膜冷却孔编织结构的制作方法，其特征在于：通过多层纬纱弯连沟回并牵引经纱变形的组合编织方式来编织带有倾斜角度的预留气膜孔，在编织时控制不同编织层纬纱弯连沟回的距离，牵引经纱产生不同的变形，通过多层的组合编织出带有倾斜角度的预留气膜孔。
6.根据权利要求1所述的适用于陶瓷基复合材料构件的气膜冷却孔编织结构的制作方法，其特征在于：所述步骤三中，填充材料为在烧制过程中能够分解的材料，或者为能够被不损害陶瓷基复合材料构件的溶解液分解的材料。
7.一种权利要求1-6任一所述的方法制作得到的气膜冷却孔编织结构。
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